認識石墨烯

Graphene

什麼是石墨烯?

Graphene Powder

 

    碳(Carbon)是組成有機體重要的元素,碳原子會以各種不同混成軌域(sp、sp2、sp3)相互鍵結,並以同素異形體存在於自然界,而不同的結構下也展現了迥異的物理與化學性質。石墨烯(Graphene),又被稱為單層石墨,是由sp2雜化軌道所組成,僅有一個碳原子厚度排列成六角型蜂巢狀而成的單層二維平面膜。

 

    碳的常見結構包括零維的富勒烯(Fullerene)、一維的奈米碳管(Carbon Nanotube)、二維的石墨烯(Graphene)和三維的石墨與金剛石。富勒烯是六十個碳原子以十二個五角形內嵌所組成的球狀結構;奈米碳管是捲成管狀結構的石墨烯;而石墨則是以石墨烯透過凡得瓦力層層堆疊而成的。

石墨烯特性

高電子遷移率

Higher electron conductivity
電子遷移率: 200,000 cm2/V.s

低電阻

Lower resistivity
電阻: 10-6 ohm.cm

高熱傳導

Excellent thermal conductivity
熱傳導: > 5000 W/mK

高楊氏係數

High Young’s modulus
楊氏模量1 TPa , 拉伸強度 130 GPa

高比表面積

High specific surface area
比表面積 >2630 m2/g

好的光學性能

Good optical performance
每層只減少2.3%的透光率

高電子遷移率

  石墨烯本身具有相當優異的電子遷移率,其中的載流子可以是電子也能是電洞,其遷移率能夠達到15000 cm^2・V^-1・s^-1以上,大約為矽的電子遷移率的100倍。石墨烯良好的電子遷移率上是來自於電子遷移率幾乎不會隨著溫度變化而改變,這是由於石墨烯本身的晶格震動隨溫度變化非常小,對電子的散射也很微弱。

低電阻

 

    常溫單層石墨烯分子的電子遷移率達15,000cm^2/V‧s,更勝於現在半導體基材-矽的電子遷移率1,400cm^2/V‧s,在一般室溫下石墨烯電阻為10^-6 Ω·cm ,更是勝過銅與銀,為目前所有已知材料中最低的。石墨烯極其穩定的晶格結構, 使其擁有超高的導電效率,當石墨烯中的電子在軌道中移動時,並不會因晶格缺陷而造成散射。

    在常溫之下,原子間的作用力十分強,石墨烯中電子所受到的干擾也是微乎其微。在未來若要發展出更薄、導電效率更好的新一代電子零組件或晶片,更是指日可待。

高熱傳導

    石墨烯有著極高的熱傳導效率。在拉曼光譜結果指出,在相對低的雷射光能量下,石墨烯G峰的紅移與樣品的溫度呈線性關係,在室溫下得到的熱傳導率範圍為4.84×10^3至5.30×10^3W/m・K。這更優異的熱傳導性能的材料,將可應用於電子產品開發上,更能發揮絕佳的散熱效果。

高楊氏係數

 

    石墨烯是目前為止強度最大的材料,石墨烯中碳碳鍵(Carbon-carbon bond)長僅約為1.42Å,當施加外力在石墨烯上,碳原子面會藉由彎曲變形來適應外力,達到碳原子不需要重新排列,保持了結構上的穩定。這種穩定的晶格結構,比鑽石還要硬,強度為鋼鐵的100倍以上,又具有優秀的延展性。

     由於原子之間的作用力十分的強,在常溫狀態下,就算是周圍碳原子發生碰撞,石墨烯內部電子所受到的干擾也非常小。根據物理學家們對石墨烯的機械特性進行了一系列的研究結果顯示:在試驗過程中,如果將石墨烯樣品放在晶體測試板,以金鋼石探針開始施加壓力後,數據結果顯示,每100奈米距離間隔,石墨烯可承受大約2.9微牛頓力。以楊氏係數測試結果顯示,石墨烯所測得彈性係數達1.05TPa/抗拉強度高達 125Gpa!目前所有已知材料中,效果最好的材料。

高比表面積

石墨烯的高比表面積特性使其有機會應用於更多的領域。其比表面積可以高達2630 m2/g,單層的石墨烯片,理論厚度大約為0.35nm。只需要幾克的石墨烯,就可以覆蓋一整個美式橄欖球場。

好的光學性能

石墨烯的光學性能非常好,如果以單層的石墨烯來看的話,非常的薄且透光性極高,透光率高達97.7% (πα = 2.3%)。利用石墨烯的高透光率讓光線通過而產生的折射和干涉,利用光學顯微鏡分析不同的對比度,就可以觀察出石墨烯的層數。